（一）立项背

近年来，随着电力、石油化工、核能及航空航天事业的蓬勃发展，很多设备的服役环境越来越苛刻。为了提高生产效益、石油、化工、能源加工业的工艺都向着高温、高压和大型化发展。如乙烯裂解炉炉管最高设计温度达到了1150℃，压力0.3MPa，合成氨转化炉炉管设计温度为900℃，压力达3.4MPa，在石油炼制过程中，加氢反应器装置温度高达565℃，压力达28MPa。另外快中子堆，生物质发电、高温超临界水氧化，高温燃料电池技术等等，均离不开先进的高温设备支持。随着我国核电技术向第三代和第四代的全面升级，核电设备为追求更高的热、电功率，也不断向更安全可靠、更高温度、更经济的三大目标发起挑战

考虑蠕变、疲劳及疲劳蠕变共同作用下的失效模式是高温压力容器结构设计和强度校核的重要环节，其交互行为的复杂性、复杂加载历史的影响，以及与时间相关的材料参数的复杂性等问题都是高温完整性评价的实施难点。现已开发的针对核电高温部件的详细的非线性结构分析程序要么无法购得，要么价格昂贵且耗时较长，要么就是针对具体结构、具体载荷工况的简化分析程序。准确高效的高温完整性评价软件系统，一直以来都是国内的一项空白，严重制约了国内高温核反应堆强度和结构设计能力，进而影响高温部件在寿期内的安全运行

本创新成果针对以上这些问题，同时考虑了多种失效模式、多种工况、多样化的分析流程，不仅在高温完整性评价逻辑上有所突破，实现了全自动的高温结构完整性评价模块。此外，软件系统还支持导入自定义材料和定制化开发，具有准确性，高效性，简单易操作等特点。多个项目的实践表明：本软件系统在初步设计阶段可以高效地确定高温结构的高应力区，有效且及时的完成长周期锻件的设计，也可以快速的实现高温结构完整性的评估，节省人工时，降低设备造价，国内尚无同类软件，达到国际领先水平

（二）主要方法及技术原

ASME III- NH规范中主要概念和实施步骤是时鉴高温结构完整性评价软件系统（简称HTAS）的基础。图1 展示了HTAS进行高温结构完整性评估的主要步骤，首先对温度进行判断，对于2?Cr-1Mo钢和9Cr-Mo-V钢，如果温度小于371℃，对于不锈钢，温度小于427℃，可直接按NB分卷进行强度设计和疲劳设计，否则应按NH分卷进行高温下的评定，主要分为载荷控制的应力限值、应变限值的评定以及蠕变-疲劳损伤累积的计算。因ASME III-NH并未提供满足一次应力极限的非弹性分析规则，载荷控制的应力校核基本都是采用弹性分析分析方法。ASME III-NH中对应变和变形进行限制的目的是为了防止棘轮。当蠕变效应显著的时候，实际上应优先采用详细的非弹性分析来对非弹性应变进行评定。但是考虑到非弹性分析的计算的复杂性和成本，同时为简化高温部件评定点的数量，ASME-III-NH附录T提供了弹性分析方法和简化的非弹性分析方法，这两种方法和非弹性分析相比有一定的保守性，其中弹性分析方法最为保守。为保证高温结构的安全性，ASME-III-NH提供了两种方法来防止使用载荷过程中发生的蠕变疲劳失效。第一种方法是弹性分析方法，第二种方法需要进行详细的非弹性分析，这两种方法都采用了等效应变范围来评估蠕变损伤系数。对于蠕变-疲劳损伤，满足规范中蠕变-疲劳包络线的要求即为合格

图1 高温结构完整性评估的主要步

（三）创新特

结构高温完整性评估的方法，通常都涉及多个使用载荷下的部件应力和应变计算和后续的复杂评价过程，其中包括对多个工况、多条路径、多个时刻下机械场、温度场、应力、应变、应力范围、应变范围、最大值、最大范围的确定等，同时，涉及各种与时间和温度有关的材料参数和等时应力-应变曲线的查询，其过程复杂，靠人手工或借助计算器或EXCEL表格等都很难高效和全面的对部件进行高温下的评估。而且，目前国内尚无同类软件，严重制约了国内高温核反应堆和高温压力容器的强度和结构设计

本创新成果有以下技术特色及创新点

① 内置高温材料参数，使用者无需查阅标准，可支持扩充高温材料数据库和自定义材料

② 内置各种插值和穷举算法，很容易找出各工况或全历程中的最不利组合，如多个工况、多条路径，多个时刻的不利组合等

③ 本软件系统实现了评价过程全自动，全程无需输入任何参数，智能化、智慧化、自动化，傻瓜化，点点按钮即可完成评价

（四）授权知识产权情

发表学术论文17 篇，软件著作权2项，另有一项处于已受理阶段，专利2项，支持国家标准1 项

（五）应用推广及取得的经济和社会效

本创新研究成果已经成功进行了一系列的应用示范，例如：对600MW示范快中子反应堆中堆容器及堆内构件、堆芯支承、旋塞等高温部件的高温完整性评估；对铅铋动态腐蚀试验回路设计制作项目、铅铋合金气相氧控和净化试验回路工程建设及调试等项目中高温部件结构设计和优化；某石化公司反应器的高温蠕变疲劳分析；高温结构评价模块针对企业需求进行定制化开发的服务和技术咨询服务等；支撑了一个标准的起草，目前我国的新版分析设计标准《压力容器-分析设计 第5部分：弹塑性分析方法》正值送审，预计2021年正式出版，其资料性附录A 引入了高温蠕变分析设计方法

本创新成果的技术方法，得到各企业高度评价和对该研究成果的认可。应用推广顺利。据不完全统计，近 2年为各大企业带来的经济效益超过 3000万元

此外，21世纪的材料、能源、生命与信息科学以及相关先导工业与工程的需求，必将促使高温结构完整性评定的迅速发展和更广阔的应用前景。我国新版分析设计引入高温蠕变分析方法正是弥补高温设计这一块的空白，为国内高温部件的设计提供了指导。本创新成果易操作，可以有效地对长周期的高温部件进行设计和重设计，也可以快速的实现高温结构完整性的评价，节省人工时，降低设备造价，国内尚无同类软件，达到国际领先水平

本创新成果集成了规范案例2605、API579等高温设计方法，建立了常用高温材料数据库和高温设备分析评价规范逻辑库，实现了典型结构的高温力学评价流程，具有完善的输入检查及错误提醒机制，能实现调用ANSYS热分析或结构分析结果、评价准则及材料数据库进行后处理运算，输出评价结果，具有较好的可扩展性和易维护性，为提高高温结构完整性评价技术水平，高温设备力学分析流程的显性化、标准化、通用化奠定了良好的基础